混凝土损伤塑性本构模型研究

提出了一种新的损伤塑性本构模型,强调了应力三轴比对塑性屈服的影响.采用本研究设计的专门用于本构校验的计算机软件,对上述模型的应力应变加载曲线进行了数值模拟,数值结果与实验结果吻合得比较好.     

基于Coulomb准则的混凝土塑性损伤本构模型及其数值验证

以连续介质不可逆热力学为基础,采用了Mohr-Coulomb屈服准则,提出混凝土塑性损伤耦合的新的本构方程。在该模型中采用了塑性应变 、各向同性损伤标量D作为内变量。这个新的本构关系模型严格满足热力学的基本方程。以不同围压作用下混凝土试件的单轴压缩行为为例,采用开发的程序进行了局部水平上本构模型数值验证。结果表明,模型损伤演化数值结果符合试验趋势。     

单轴受压状态下钢纤维混凝土损伤本构模型研究

针对钢纤维混凝土在单调载荷条件下损伤行为的复杂性,根据Weibull统计分布理论和等效应变假定原理,得出了钢纤维混凝土损伤本构模型,基于试验数据,确定了模型参数。分析计算结果显示,该模型可以有效地描述单轴受压状态下钢纤维混凝土的损伤过程。     

一种改进的粘土亚塑性本构模型

简要地介绍了Herle和Kolymbas针对黏土建立的亚塑性本构模型的方法。结合黏土的特性以及对响应包络线的分析,详细地列出了HK模型几个尚未解决的问题,并对该模型3个参数分别进行了改进,建立了改进后的HK亚塑性公式以及参数的确定方法。改进后的模型继承了HK模型参数少、易确定以及公式简洁等特点,使HK模型不仅具有严密的数学和力学基础,而且具有较好的实际意义。     

土体非线弹性-塑性本构模型

把本质上属于亚弹性本构模型,在岩土工程界广为应用的Duncan-Chang模型与服从Drucker-PragerMohr-Column屈服准则的弹塑性本构模型相结合,推出了非线弹性-塑性的组合本构模型,以克服经典的弹塑性模型不能考虑岩土材料在塑性屈服前的非线性行为以及一般的Duncan-Chang模型不适用于应力水平接近于屈服或破坏状态等缺点。所建议的本构模型简单实用,能较好地综合利用工程地质勘察资料和常规的土工试验数据。针对实际边坡具体地层条件的分析表明,该模型及其非线性析算法的正确性和可行性,而且在岩土工程方面具有广泛的实际应用价值。     

冻融循环下砂岩损伤演化及本构模型

冻融交替对岩石宏观强度产生弱化。基于冻融循环条件下的压缩试验结果,利用损伤力学研究材料强度特征及损伤演化,建立岩土材料的损伤模型。结果表明:随着循环次数的增加,砂岩的力学强度参数均逐渐减小,抗压强度与弹性模量的降低幅度可以达到49.70%、83.40%,意味着冻融循环对材料力学性质损伤显著;定义岩石综合损伤变量,得到损伤演化特征曲线,基于高斯函数变化特征,构建冻融循环条件下材料损伤本构模型,对比分析试验与模型曲线,发现该模型能够较好地描述试验结果。基于高斯函数的损伤模型能较好地反映材料变形行为特征,研究成果可以为类似本构模型的建立提供参考。     

亚塑性临界状态的本构模型

给出了无粘性粒状材料的三维非线性应力应变和体积变化特点的本构模型。基于临界状态理论,提出了一种极限面的特殊类型,证明和它与试验数据逼近具有更大灵活性。标准本构方程因子表达式允许本构常量独立校准。通过对材料压力水平和密度表现出的相关性的统一描述,使昨这个基     

考虑损伤阀值影响的钢纤维混凝土损伤本构模型研究

从室内试验得到的不同体积率下的钢纤维混凝土全应力-应变曲线的特性,探讨了损伤变量的变化规律及建立钢纤维混凝土损伤本构模型时考虑损伤阀值影响的必要性。基于连续损伤力学理论和统计强度理论,在传统的两参数Weibull分布函数基础上引入损伤阀值参数（位置参数）,建立可考虑损伤阀值影响的钢纤维混凝土损伤本构模型,该模型可以反映钢纤维混凝土在低应力水平或变形较小时的线弹性变形特性;根据经验确定损伤阀值参数后,通过混凝土应力-应变全曲线的几何条件求解Weibull分布函数另外两个参数的表达式。最后,基于MATLAB的分析计算结果,并通过与钢纤维混凝土单轴压缩试验实测结果对比,证明模型可以很好的反映单轴受压状态下钢纤维混凝土的应力-应变关系,探讨了损伤阀值取值的大小。     

考虑损伤的节理本构模型

本文在弹塑性损伤的理论框架内,讨论了节理等地质间断面的本构模型。这个模型能够反映节理面的损伤弱化,扩容和弹性刚度劣化等复杂特性。这个模型的另一优点是,塑性变形增量与屈服面是非正交的,但本构矩阵具有对称性。这种对称性在岩石力学的理论研究和数值分析中是至关紧要的。     

考虑损伤门槛的统计损伤本构模型研究

在统计损伤理论的基础上,从统计损伤本构模型的一般性公式出发,考虑到岩石的受力状态,提出统计损伤本构模型应考虑损伤门槛的影响,建立了考虑损伤门槛的统计损伤本构方程。以石膏角砾岩的常规三轴试验结果作为实例,进行了验证。理论计算结果与试验结果对比表明,考虑损伤门槛的统计损伤本构模型是更加合理的。     

A coupled chemo‐thermo‐hygro‐mechanical model of concrete at high temperature and failure analysis

A hierarchical mathematical model for analyses of coupled chemo‐thermo‐hygro‐mechanical behaviour in concretes at high temperature is presented. The concretes are modelled as unsaturated deforming reactive porous media filled with two immiscible pore fluids, i.e. the gas mixture and the liquid mixture, in immiscible–miscible levels. The thermo‐induced desalination process is particularly integrated into the model. The chemical effects of both the desalination and the dehydration processes on the material damage and the degradation of the material strength are taken into account. The mathematical model consists of a set of coupled, partial differential equations governing the mass balance of the dry air, the mass balance of the water species, the mass balance of the matrix components dissolved in the liquid phases, the enthalpy (energy) balance and momentum balance of the whole medium mixture. The governing equations, the state equations for the model and the constitutive laws used in the model are given. A mixed weak form for the finite element solution procedure is formulated for the numerical simulation of chemo‐thermo‐hygro‐mechanical behaviours. Special considerations are given to spatial discretization of hyperbolic equation with non‐self‐adjoint operator nature. Numerical results demonstrate the performance and the effectiveness of the proposed model and its numerical procedure in reproducing coupled chemo‐thermo‐hygro‐mechanical behaviour in concretes subjected to fire and thermal radiation. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

考虑温度影响的软岩弹塑性本构模型

煤矿的深度开挖、核废料的地下储存和能量桩的广泛应用等诸多的岩土工程问题都需要考虑温度对软岩力学特性的影响。为了能较为全面地描述软岩的力学特性,基于上下负荷加载面,引入温度等价应力的概念,在tij应力空间下构建了一个可同时考虑温度效应、中间主应力影响、结构性、超固结性等软岩力学特性的弹塑性本构模型。新模型的所有参数都具有明确的物理含义。通过理论曲线与试验结果进行对比,验证了所提本构模型的正确性。最后通过改变模型参数,对新本构模型的性能进行了分析讨论。计算结果表明：（1）增大超固结比发展控制参数m或者减小结构状态发展控制参数m*,将会提升软岩的剪切强度。（2）随着温度的上升,软岩的剪切强度反而减弱。（3）初始的超固结比越大,软岩的剪胀特性更明显;而初始的结构性较大时,其体积应变在剪切的最后阶段表现为剪缩。     

不同温-压条件下含水合物沉积物的损伤本构关系

环境温度和孔隙压力对含水合物沉积物的力学特性存在重要影响,深刻揭示温度和孔隙压力对含水合物沉积物力学特性的影响机制并对其进行有效地模拟是含水合物地层稳定性评估的前提。在分析温度和孔隙压力变化对含水合物沉积物的力学特性影响机制的基础上,引入温压条件参数来考虑温度和孔隙压力变化对含水合物沉积物力学特性的影响,建立了考虑温度和孔隙压力影响的损伤本构模型。模型假设含水合物沉积物微元强度服从Weibull分布,采用Drucker-Prager强度准则描述微元强度,建立了损伤因子的演化规律。此外,还提供了一套模型参数的确定方法。通过一系列不同温度压力条件下的含水合物沉积物的三轴压缩试验结果对模型进行校核和验证,结果表明,该模型能很好地模拟含水合物沉积物的应力-应变关系,并且能较好地考虑水合物含量、环境温度和孔隙压力对含水合物沉积物的力学特性的影响。     

A high strain‐rate constitutive model for sand and its application in finite‐element analysis of tunnels subjected to blast

The paper presents a constitutive model for simulating the high strain‐rate behavior of sands. Based on the concepts of critical‐state soil mechanics, the bounding surface plasticity theory and the overstress theory of viscoplasticity, the constitutive model simulates the high strain‐rate behavior of sands under uniaxial, triaxial and multi‐axial loading conditions. The model parameters are determined for Ottawa and Fontainebleau sands, and the performance of the model under extreme transient loading conditions is demonstrated through simulations of split Hopkinson pressure bar tests up to a strain rate of 2000/s. The constitutive model is implemented in a finite‐element analysis software Abaqus to analyze underground tunnels in sandy soil subjected to internal blast loads. Parametric studies are conducted to examine the effect of relative density and type of sand and of the depth of tunnel on the variation of stresses and deformations in the soil adjacent to the tunnels. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

考虑温度影响的冻土蠕变本构模型

冰作为冻土的基本组成部分,对冻土蠕变的加速蠕变阶段有重要影响。温度通过影响冻土中冰的冻结与融化过程,及其黏塑性流动,引起冻土结构的强化与弱化,从而成为了决定冻土蠕变力学行为的关键因素之一。同时,外部应力也造成冻土的强化与弱化,影响着冻土的蠕变。通过引入硬化因子与损伤因子来考虑温度、应力造成的冻土材料强化与弱化。硬化因子H代表了蠕变过程中强化效应的大小,而损伤因子D则代表了由弱化效应造成的冻土材料相关参数的折减比例,进而提出了适用于冻土的改进西原蠕变本构模型。该模型预测值与试验数据的比较表明：改进的模型不仅能较好地描述初始蠕变阶段、稳定蠕变阶段,而且相比于传统模型,能更好地描述冻土加速蠕变阶段,具有合理性与一定的实用性。     

A coupled damage–plasticity model for concrete based on thermodynamic principles: Part I: model formulation and parameter identification

The development of a coupled damage‐plasticity constitutive model for concrete is presented. Emphasis is put on thermodynamic admissibility, rigour and consistency both in the formulation of the model, and in the identification of model parameters based on experimental tests. The key feature of the thermodynamic framework used in this study is that all behaviour of the model can be derived from two specified energy potentials, following procedures established beforehand. Based on this framework, a constitutive model featuring full coupling between damage and plasticity in both tension and compression is developed. Tensile and compressive responses of the material are captured using two separate damage criteria, and a yield criterion with a multiple hardening rule. A crucial part of this study is the identification of model parameters, with these all being shown to be identifiable and computable based on standard tests on concrete. Behaviour of the model is assessed against experimental data on concrete. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

一个高饱和度非饱和土的本构模型

高饱和度的非饱和土中由于气体处于封闭状态,其内部气压的变化必将对土体的行为产生影响。首先,对高饱和度非饱和土特性进行探讨和研究,随后,在已有非饱和土模型框架基础上,采用广义有效应力原理,建立一个适用于高饱和度条件下的非饱和土的弹塑性本构模型。模型中引入气相耗散的影响,在硬化方程中考虑封闭气体压力改变的影响。最后,利用已有的试验结果来对模型进行验证,并将模型预测结果与前人模型进行对比,表明模型预测可以很好地预测土体的行为,尤其是在高饱和度条件下其结果比其他模型更加接近实际情况。     

冻融作用下岩石力-热-水耦合本构模型研究

在寒区隧道工程中,冻胀的水分迁移作用加剧了隧道围岩的冻融破坏。耦合水分迁移作用的岩石本构模型对防治冻融渗漏、崩塌等隧道围岩灾害有着重要意义。基于内状态变量理论,将冻胀过程中的水分迁移量作为本征变量引入Helmholtz自由能,在热力学框架下建立了一个岩石力-热-水耦合本构模型。模型描述了温度和水分迁移对冻融后岩石损伤阈值、等向强化饱和值、等向强化速率等力学参数的影响。模拟了岩石冻融后力学性质的劣化。区别于全量经验公式,本模型以增量形式给出,为复杂应力历史条件下的数值模拟提供了便利。通过将模型模拟曲线与冻融后岩石常规三轴压缩试验曲线进行对比,初步验证模型的可靠性,为实际寒区工程的冻胀破坏预测提供参考。     

A mesoscopic model for the behaviour of concrete under high confinement

When impact loaded, concrete is submitted to high triaxial stresses. The experimental response of concrete under quasi‐static triaxial compression is studied using a triaxial press capable of applying a mean pressure greater than 1 GPa on cylindrical samples measuring 7 cm in diameter and 14 cm high. A numerical analysis of these previous experiments is performed herein at a mesoscopic scale. Concrete is modelled as a biphasic material consisting of a mortar (cement paste and fine aggregates) and roughly spherical aggregates (with a diameter exceeding 2 mm) whose characteristics are applied on a regular cubic finite element mesh. A damage‐plasticity model is then used to model the behaviour of mortar. An identification of model parameters on mortar samples and the subsequent comparison between numerical and experimental tests will be presented for hydrostatic and triaxial compression. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.